第八章 生物传感器

1、第八章第八章 生物传感器分析技术生物传感器分析技术第一节第一节概述概述第二节第二节生物传感器原理生物传感器原理第三节第三节生物传感器分类生物传感器分类第四节第四节应用现状及前景应用现状及前景学习目的学习目的了解生物传感器的特点和主要分类方法。了解生物传感器的特点和主要分类方法。掌握生物传感器、分子识别、固定化等概念掌握生物传感器、分子识别、固定化等概念以及生物传感器的基本组成和工作原理。以及生物传感器的基本组成和工作原理。熟悉不同种类生物传感器的工作原理和应用。熟悉不同种类生物传感器的工作原理和应用。第一节第一节 概述概述 生物传感器是由生物传感器是由生物活性物质生物活性物质作为敏作为敏感元件

2、，配以适当的换能器所构成的选择感元件，配以适当的换能器所构成的选择性小型分析仪器。性小型分析仪器。一、发展历史一、发展历史19621962年年-Clark-Clark-雏形雏形19671967年年-Updike-Updike和和Hicks-Hicks-葡萄糖电极葡萄糖电极微生物、免疫、细胞和组织等传感器微生物、免疫、细胞和组织等传感器Electrode葡萄糖葡萄糖葡萄糖酸内酯葡萄糖酸内酯氧气氧气过氧化氢过氧化氢葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶膜膜二、生物传感器的应用二、生物传感器的应用1 1、在医学上的应用、在医学上的应用我国第一种实用化的生物传感器我国第一种实用化的生物传感器SBA-30SBA-30

3、型乳酸分析仪型乳酸分析仪2 2、发酵工业应用、发酵工业应用SBA-60SBA-60型生物传感在线分析系统型生物传感在线分析系统3 3、环境监测、环境监测德国研发的环境废水德国研发的环境废水BODBOD分析仪分析仪 我们只不过刚刚结束在我们只不过刚刚结束在黑暗中摸索，开始在阳光下黑暗中摸索，开始在阳光下耕作沃土。耕作沃土。ClarkClark感受器感受器换能器换能器检测器检测器敏感材料经固定化后形成的一种膜敏感材料经固定化后形成的一种膜结构。结构。将生化反应产生的物理或化学信号将生化反应产生的物理或化学信号转换成电转换成电/光信号的装置。光信号的装置。对信号进行处理、放大和输出。对信号进行处理、

4、放大和输出。三、基本组成单位三、基本组成单位换能器换能器感受器感受器测量信号测量信号分析物分析物溶液溶液选择性膜选择性膜识别元件识别元件第二节第二节 生物传感器原理生物传感器原理感受器的分子识别感受器的分子识别生物敏感材料和样品中的待测物质结合生物敏感材料和样品中的待测物质结合发生生物化学反应，产生信号发生生物化学反应，产生信号信号经换能器转换信号经换能器转换信号处理放大、显示或记录信号处理放大、显示或记录一、分子识别一、分子识别二、生物敏感二、生物敏感物质的固定化物质的固定化三、信号转换三、信号转换指生物传感器指生物传感器中的中的敏感物质敏感物质与待测成分与待测成分进进行行特异性结合特异性结

5、合的性质。的性质。分子识别元件分子识别元件生物活性单元生物活性单元酶膜酶膜各种酶类各种酶类全细胞膜全细胞膜细菌、真菌、动植物细胞细菌、真菌、动植物细胞组织膜组织膜动植物组织切片动植物组织切片细胞器膜细胞器膜线粒体、叶绿体线粒体、叶绿体免疫功能膜免疫功能膜抗体、抗原、酶标抗原等抗体、抗原、酶标抗原等 一、分子识别一、分子识别二、生物敏感物质二、生物敏感物质的固定化的固定化三、信号转换三、信号转换指通过指通过物理或化学物理或化学的方法的方法将酶、抗原、将酶、抗原、抗体等生物物质抗体等生物物质限限制制在一定区间内，在一定区间内，使其只能在特定的使其只能在特定的区间内进行生化反区间内进行生化反应，但不

6、妨碍底物应，但不妨碍底物自由扩散的技术。自由扩散的技术。固定化方法固定化方法1、夹心法、夹心法2 2、吸附法、吸附法3 3、包埋法、包埋法5 5、交联法、交联法4 4、共价结合法、共价结合法6 6、微胶囊法、微胶囊法1 1、夹心法、夹心法 定义：定义：是将生物材料封闭在双层微滤膜、是将生物材料封闭在双层微滤膜、超滤膜或透析膜之间。超滤膜或透析膜之间。(1)(1)特点特点 操作简单操作简单 不需要化学处理不需要化学处理 固定生物量大固定生物量大 响应速度快响应速度快 重现性好重现性好 适用微生物和组织膜制作适用微生物和组织膜制作2 2、吸附法、吸附法 定义：定义：是在非水溶性载体上，利用载体与是

7、在非水溶性载体上，利用载体与生物活性物质之间的范德华力、氢键、离生物活性物质之间的范德华力、氢键、离子键等吸附力使生物材料固定的方法。子键等吸附力使生物材料固定的方法。（1）常用的载体：）常用的载体： 活性炭活性炭 高岭土高岭土 玻璃玻璃 胶原胶原 纤维素纤维素 离子交换树脂离子交换树脂（2 2）特点）特点 操作简便、条件温和、对生物材料的活操作简便、条件温和、对生物材料的活性结构破坏较少。性结构破坏较少。 结合力弱，载体的理化性质稍微改变就结合力弱，载体的理化性质稍微改变就可能引起解吸，使生物活性物质脱落。可能引起解吸，使生物活性物质脱落。3 3、包埋法、包埋法 定义：定义：是将生物材料固定

8、在高分子聚合物是将生物材料固定在高分子聚合物微孔中的方法。微孔中的方法。 （1 1）常用的合成高聚物）常用的合成高聚物 聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺 聚氯乙烯聚氯乙烯 光敏树脂光敏树脂 尼龙尼龙 醋酸纤维醋酸纤维（2 2）常用的天然高聚物：）常用的天然高聚物： 海藻酸海藻酸 明胶明胶 胶原胶原 琼脂琼脂海藻酸钙凝胶包埋法：海藻酸钙凝胶包埋法： 滴至滴至海藻酸钠溶液海藻酸钠溶液E (or cell) CaCl2 溶液中溶液中 IE(or IC) 角叉菜胶包埋法：角叉菜胶包埋法： 滴至滴至角叉菜胶角叉菜胶E (or cell) KCl 溶液中溶液中 IE (or IC)聚聚丙烯酰胺凝胶包埋法：丙烯酰胺凝胶

9、包埋法： APAcr+ Bis+E (or cell) IE (or IC) TEMED（3 3）常用的包埋方法）常用的包埋方法（4 4）特点）特点 一般不产生化学修饰，对生物分子的一般不产生化学修饰，对生物分子的活性影响小，聚合物的孔径和形状可任意活性影响小，聚合物的孔径和形状可任意控制。控制。 分子量大的分子在膜中扩散困难。分子量大的分子在膜中扩散困难。4 4、共价结合法、共价结合法 定义：定义：是生物活性分子通过共价键与水不是生物活性分子通过共价键与水不溶性载体结合的方法。溶性载体结合的方法。 首先载体上引进活泼基团首先载体上引进活泼基团; ; 然后活化该活泼基团然后活化该活泼基团; ;

10、 最后此活泼基团再与生物分子上某一基团最后此活泼基团再与生物分子上某一基团形成共价键。形成共价键。（1）共价键结合法制备固定化的）共价键结合法制备固定化的“通式通式”（2 2）复合载体）复合载体PEI-SIOPEI-SIO2 2的制备的制备对硅胶进行活化处理：用对硅胶进行活化处理：用甲烷磺酸甲烷磺酸水溶液；水溶液；CP-SIOCP-SIO2 2的制备：用的制备：用-氯丙基三甲氧基与氯丙基三甲氧基与硅烷反应，硅烷反应，所制产物为氯丙基化的硅胶；所制产物为氯丙基化的硅胶； PEI-SIOPEI-SIO2 2复合载体制备：用聚乙烯亚胺复合载体制备：用聚乙烯亚胺（PEIPEI）。）。（3 3）特点）特

11、点 结合牢固、分子不易脱落、载体不易降结合牢固、分子不易脱落、载体不易降解、寿命长。解、寿命长。 操作步骤多、酶活性受影响，所以制备操作步骤多、酶活性受影响，所以制备高活性的固定化酶比较困难。高活性的固定化酶比较困难。 5 5、交联法、交联法是采用双功能试剂，如戊二醛等，将生物是采用双功能试剂，如戊二醛等，将生物材料结合到惰性载体上的方法。材料结合到惰性载体上的方法。生物材料中参与偶联的功能团有：生物材料中参与偶联的功能团有：-NH2、-COOH、-SH、-OH、咪唑基和酚基等。、咪唑基和酚基等。戊二醛有两个醛基，戊二醛有两个醛基，均可与酶或蛋白质均可与酶或蛋白质的游离氨基反应的游离氨基反应,

12、 ,使酶蛋白交联。使酶蛋白交联。 （1）特点）特点 操作简单，结合牢固，可以长时间使用。操作简单，结合牢固，可以长时间使用。 严格控制严格控制pHpH，交联剂的选择也很重要。，交联剂的选择也很重要。6 6、微胶囊法、微胶囊法定义：定义：将生物材料封闭于由膜组成的胶囊中将生物材料封闭于由膜组成的胶囊中的方法。的方法。半透膜孔径半透膜孔径 酶分子孔径，小于半透膜孔径酶分子孔径，小于半透膜孔径的小分子底物和产物可以自由进出，被称为的小分子底物和产物可以自由进出，被称为“人工细胞人工细胞”。（1）特点）特点 条件温和，对生物活性物质的影响较小。条件温和，对生物活性物质的影响较小。 胶囊的稳定性一般较差

13、。胶囊的稳定性一般较差。一、分子识别一、分子识别二、生物敏感物质二、生物敏感物质的固定化的固定化三、信号转换三、信号转换将产生的将产生的化学化学变化或物理变变化或物理变化化通过换能器通过换能器转换为转换为与分析与分析物浓度有关的物浓度有关的电信号电信号，经过，经过电子技术处理电子技术处理后从仪表上显后从仪表上显示或记录下来。示或记录下来。固定化的生物材料与相固定化的生物材料与相应的被测物质反应时经应的被测物质反应时经常伴有热的变化，运用常伴有热的变化，运用热敏元件把生化反应中热敏元件把生化反应中的热效应转变成电信号。的热效应转变成电信号。1、测热型生物传感器、测热型生物传感器2、测光型生物传感

14、器、测光型生物传感器有些生化反应能产生有些生化反应能产生光，运用光学换能器光，运用光学换能器将光信号转换成电信将光信号转换成电信号，光敏材料将光传号，光敏材料将光传入或输出。入或输出。第三节第三节 生物传感器的分类生物传感器的分类常用的生物常用的生物传感器类型传感器类型酶传感器酶传感器免疫传感器免疫传感器 微生物传感器微生物传感器光导纤维生物传感器光导纤维生物传感器组织传感器组织传感器一、酶传感器一、酶传感器酶在生化反应中具有特殊的催化作用，可酶在生化反应中具有特殊的催化作用，可使糖类、醇类、有机酸、氨基酸等生物分使糖类、醇类、有机酸、氨基酸等生物分子迅速被分解或氧化。子迅速被分解或氧化。酶传

15、感器的原理：酶传感器的原理：用电化学装置检测在酶用电化学装置检测在酶催化过程中产生或消耗的化学物质，将其催化过程中产生或消耗的化学物质，将其转变为电信号输出。转变为电信号输出。1 1、酶传感器工作原理示意图、酶传感器工作原理示意图2、酶传感器的组成：、酶传感器的组成：固定化酶膜：固定化酶膜：选择性地选择性地“识别识别”并催化被并催化被检测物质发生化学反应；检测物质发生化学反应；变换器：变换器：把催化反应中底物或产物的变量把催化反应中底物或产物的变量转换成电信号，通过仪表显示出来。转换成电信号，通过仪表显示出来。 3 3、酶传感器的应用、酶传感器的应用（1 1）医疗方面）医疗方面 用葡萄糖氧化酶

16、制成葡萄糖传感器，可用葡萄糖氧化酶制成葡萄糖传感器，可测定血液中葡萄糖浓度。测定血液中葡萄糖浓度。手掌型葡萄糖手掌型葡萄糖(glucose)(glucose)分析仪分析仪 固定化葡萄糖氧化酶和固定化葡萄糖氧化酶和L-L-乳酸氧化酶膜圈乳酸氧化酶膜圈构成的酶电极为关键器件构成的酶电极为关键器件 。SBA-70SBA-70型血糖乳酸自动分析仪型血糖乳酸自动分析仪（2 2）食品新鲜度检验）食品新鲜度检验 鱼鲜度传感器鱼鲜度传感器 在日本、加拿大等国广泛用于鱼类鲜在日本、加拿大等国广泛用于鱼类鲜度的测定。鱼死后体内度的测定。鱼死后体内ATPATP经酶解依次形成经酶解依次形成ADPADP、AMPAMP、

17、IMPIMP、肌苷、次黄嘌呤和尿酸。、肌苷、次黄嘌呤和尿酸。鲜度可用鲜度可用K K值表示：值表示： K= K=肌苷肌苷+ +次黄嘌呤次黄嘌呤/ATP +ADP+AMP+IMP +/ATP +ADP+AMP+IMP +肌肌苷苷+ +次黄嘌呤次黄嘌呤+ +尿酸尿酸 大多数鱼死后大多数鱼死后5 520h20h，ATPATP，ADPADP和和AMPAMP已分解尽，超过已分解尽，超过24h24h，鲜度主要取决于，鲜度主要取决于IMP-IMP- -肌苷肌苷-次黄嘌呤次黄嘌呤-尿酸。尿酸。 将这三个步骤的三种酶（将这三个步骤的三种酶（55核苷酸酶、核苷酸酶、核苷磷酸化酶、黄嘌呤氧化酶）固定在氧核苷磷酸化酶、

18、黄嘌呤氧化酶）固定在氧电极上，制成鱼鲜度测定仪。电极上，制成鱼鲜度测定仪。 当当K K2020时，鱼极新鲜，可供生食。时，鱼极新鲜，可供生食。 K K在在20204040之间为新鲜，必须熟食。之间为新鲜，必须熟食。 K K大于大于4040，不新鲜，不宜食用。，不新鲜，不宜食用。 肉鲜度传感器肉鲜度传感器肉类在腐败过程中会产生各种肉类在腐败过程中会产生各种胺类胺类，故胺，故胺类测定能反映肉类的新鲜程度。类测定能反映肉类的新鲜程度。用腐胺氧化酶与过氧化氢电极构成用腐胺氧化酶与过氧化氢电极构成多胺生多胺生物传感器物传感器，或用单胺氧化酶膜和氧电极组，或用单胺氧化酶膜和氧电极组成的酶传感器测定肉在贮藏

19、过程中的鲜度。成的酶传感器测定肉在贮藏过程中的鲜度。3 3、水质监测、水质监测 用化学法测定酚时，硫化物、油类等可干用化学法测定酚时，硫化物、油类等可干扰其测定。扰其测定。 从马铃薯中提纯、经吸附交联得到的固定从马铃薯中提纯、经吸附交联得到的固定化多酚氧化酶与氧电极构成酚传感器，可化多酚氧化酶与氧电极构成酚传感器，可检测大多数酚类化合物检测大多数酚类化合物。二、二、免疫传感器免疫传感器 1 1、基本原理、基本原理 采用抗原与抗体的特异反应将待测物与采用抗原与抗体的特异反应将待测物与酶连接，然后通过酶与底物产生颜色反应，酶连接，然后通过酶与底物产生颜色反应，用于定量测定。用于定量测定。2 2、必

20、要的试剂、必要的试剂固相的抗原或抗体（免疫吸附剂）固相的抗原或抗体（免疫吸附剂）酶标记的抗原或抗体（标记物）酶标记的抗原或抗体（标记物）酶作用的底物（显色剂）酶作用的底物（显色剂）3 3、酶联免疫吸附测定法、酶联免疫吸附测定法步骤如下：步骤如下： （1 1）抗体（或抗原）物理性的吸附于固相载体表）抗体（或抗原）物理性的吸附于固相载体表面；面；（2 2）抗原（或抗体）与酶偶联，形成酶标抗原）抗原（或抗体）与酶偶联，形成酶标抗原（或抗体）；（或抗体）； （3 3）酶标抗原（或抗体）与相应的抗体（或抗原）酶标抗原（或抗体）与相应的抗体（或抗原）结合后，然后通过酶催化底物产生颜色反应，颜结合后，然后通

21、过酶催化底物产生颜色反应，颜色反应的深浅是与标本中相应抗原或抗体的量成色反应的深浅是与标本中相应抗原或抗体的量成正比例，从而实现定量测定。正比例，从而实现定量测定。 4 4、免疫传感器在医学上的应用、免疫传感器在医学上的应用（1 1）绒毛膜促性腺激素（）绒毛膜促性腺激素（hGGhGG）的测定）的测定 免疫胶体金法免疫胶体金法是将羊抗人是将羊抗人HCGHCG抗血清抗血清（多抗）、羊鼠（多抗）、羊鼠IGGIGG分别固定特制的分别固定特制的纤维素纤维素试带上并呈两条线上下排列，试带上并呈两条线上下排列，羊抗鼠羊抗鼠IGGIGG线线在在 试带知下方为阴性对照，试带知下方为阴性对照，羊抗人羊抗人HCGH

22、CG多多抗抗在上方为测定。试带条中含均匀分布的在上方为测定。试带条中含均匀分布的胶体金标记鼠抗人胶体金标记鼠抗人-HCG-HCG单克隆抗体单克隆抗体和和金金标记鼠标记鼠IGGIGG。将人将人hGGhGG的抗体用化学固定化固定于经的抗体用化学固定化固定于经溴溴化氢化氢活化处理的二氧化钛电极表面。活化处理的二氧化钛电极表面。另外一只相同的二氧化钛电极结合另外一只相同的二氧化钛电极结合尿素尿素分分子，构成参比电极。子，构成参比电极。将一对电极插入待测溶液中，将一对电极插入待测溶液中，电极变化与电极变化与hGGhGG浓度浓度成正比。成正比。（2 2）- -甲胎蛋白（甲胎蛋白（AFPAFP） 将将AFP

23、AFP的抗体固定于氧电极的表面的抗体固定于氧电极的表面测定时，将待测测定时，将待测AFPAFP的溶液中加入已知浓的溶液中加入已知浓度的标记过氧化氢酶的度的标记过氧化氢酶的AFPAFP溶液。溶液。将电极取出，放入含有过氧化氢的溶液中。将电极取出，放入含有过氧化氢的溶液中。根据电流增加的速度计算根据电流增加的速度计算AFPAFP的量。的量。三、组织传感器三、组织传感器 组织传感器利用天然动植物组织中酶的组织传感器利用天然动植物组织中酶的催化作用，本质上属于酶传感器。催化作用，本质上属于酶传感器。1 1、优点、优点（1 1）与其他生物分子协调作）与其他生物分子协调作用，性质稳定，寿命较长。用，性质稳定，寿命较长。（2 2）酶处于天然状态和理）酶处于天然状态和理想环境，催化效率高。想环境，催化效率高。（3）组织传感器制作简便、）组织传感器制作简便、价格便宜。价格便宜。（4）生物组织可提供丰富）生物组织可提供丰富的酶源，有利于共作。的酶源，有利于共作。 2、尿素传感器尿素传感器 把大豆粉直接用戊二醛固定成膜，覆把大豆粉直接用戊二醛固定成膜，覆盖在氨或二氧化碳气敏电极